15 августа 2013
Испытательная лаборатория
К вопросу об измерениях
Часть 2
Продолжение
Итак, будем считать, что уважаемый читатель уже вполне проникся мыслью о неоспоримых преимуществах специализированных автоматизированных измерительных систем (введём, для экономии места аббревиатуру «САИС») перед средствами измерения общего применения, пусть даже и скомпенсированных в некоторые временные «комплексы» под каждую отдельную измерительную задачу. Тем не менее, всё перечисленное в предыдущей публикации отнюдь не исчерпывает всех (только весьма существенных!) преимуществ САИС. Посему, продолжим рассмотрение.
При измерениях основных физических величин не всё так уж однозначно. Возьмём, например, измерения звукового давления при контроле акустики и вибраций. Как раз измерения значений этого давления самого акустического тест-сигнала абсолютно тривиальны и никаких сложностей не вызывают. Если, конечно, прийти к всеобщему согласию в вопросе того, а с применением какого именно типа детектора это выполнять, и с какой именно постоянной времени (в режиме F [Fast], S [Slow] или I [Impuls]). Читателя, интересующегося этим вопросом подробнее, отошлём к предыдущим публикациям цикла. Вопрос очень существенный, но находящийся за рамками данной публикации.
А вот необходимость измерять уровень звукового давления «фоновых шумов» и по сей день вызывает горячие споры. Нет, не сама необходимость «это» измерять, а как именно измерять! Не углубляясь в проблему (она уже не раз достаточно подробно обсуждалась и в периодике, и на форумах, и т. п.), отметим только, что, например, выбор минимумов измеряемой величины (чего прямо требует действующий НМД) в течение периода измерения (как и длительность самого периода измерения) недопустимо оставлять на усмотрение оператора. Это как раз тот самый случай, когда субъективизм, пресловутый «человеческий фактор» напрямую «встраивается» в измерительный тракт (при измерениях «вручную» или если такую задачу не решает частично автоматизированный комплекс). Такой выбор должен быть строго регламентирован, быть единым для всех, а это возможно только в случае возложения его на автоматику. «Тупую», но всегда работающую одинаково! Несмотря на ряд серьёзных попыток (а их с 2003 года было немало) ревизовать алгоритм именно такого выбора (по сути – уже «постизмерительной» обработки данных) в САИС «Шёпот» он остался незыблемым, поскольку точно соответствует требованиям НМД. И не случайно именно эта система является штатным средством измерения для органов контроля ФСТЭК.
Как уже упоминалось в самом начале изложения, при выполнении работ, входящих в понятия «специальные исследования» и/или «инструментальный контроль защищённости», кроме процедуры измерения основной физической величины входят, в ряде случаев и измерения ряда вспомогательных физических величин.
Уже упоминалось, что для некоторых задач оценки защищённости необходимо измерение не одной, а нескольких физических величин. Достаточно разнородных. К таким случаям относятся, например, задача контроля НЧ или ВЧ АЭП, где требуется и измерение звукового давления акустического тест-сигнала и фонового уровня акустических же шумов.
Надеюсь, большинству читателей очевидно, что эти измерения должны выполняться разными средствами измерения. Вывод совершенно понятный и … не полностью верный. Как было принято говорить в армейской среде: «Вы правы, но ошибаетесь!». Как обычно, «дьявол прячется в деталях» - в данном случае в терминологии. Что называется «средством измерения»? В соответствии с положениями 102-ФЗ: «средство измерений - техническое средство, предназначенное для измерений» (Статья 2 Основные понятия, п. 21). Честно признаюсь, для меня - невразумительно… Поищем дальше, на что опереться, что «по духу и по букве» ближе к рассматриваемой области.
ГОСТ Р 8.596-2002 Государственная система обеспечения единства измерений. Метрологическое обеспечение измерительных систем. Основные положения.
Раздел 3. Определения:
…
3.1 измерительная система (ИС): Совокупность измерительных, связующих, вычислительных компонентов, образующих измерительные каналы, и вспомогательных устройств (компонентов измерительной системы), функционирующих как единое целое, предназначенная для:
- получения информации о состоянии объекта с помощью измерительных преобразований в общем случае множества изменяющихся во времени и распределенных в пространстве величин, характеризующих это состояние;
- машинной обработки результатов измерений;
- регистрации и индикации результатов измерений и результатов их машинной обработки;
- преобразования этих данных в выходные сигналы системы в разных целях.
П р и м е ч а н и е - ИС обладают основными признаками средств измерений и являются их разновидностью.
3.2
измерительный канал измерительной системы (измерительный канал ИС): Конструктивно или функционально выделяемая часть ИС, выполняющая законченную функцию от восприятия измеряемой величины до получения результата ее измерений, выражаемого числом или соответствующим ему кодом, или до получения аналогового сигнала, один из параметров которого – функция измеряемой величины.
…
Вот это уже значительно интереснее и ближе к делу! Особенно определение измерительного канала (или тракта измерений, как это встречалось в данном тексте ранее).
Кроме всего прочего, определение доказывает правильность применения термина «измерительная система» (в отличие от довольно часто встречающегося термина «программно-аппаратный комплекс», который не несёт этой важнейшей нагрузки.) САИС – средство измерения!
Приведённое определение чётко показывает, что изменение измерительного преобразователя (или, в другой терминологии – первичного измерительного преобразователя) приводит к возникновению нового канала измерения и новой ИС – нового средства измерения. А вот как именно это изменение осуществляется, мы и рассмотрим несколько подробнее.
Итак, с первичным преобразователем всё достаточно однозначно. «Беда, коль сапоги начнёт печи пирожник, а пироги тачать сапожник». Посему напряжение между двумя проводниками надо измерять пробником, ток в проводнике – пробником или токовым трансформатором (токоизмерителем), напряжённость поля – измерительной антенной, а виброускорение – акселерометром и т.д. С этим всё понятно.
Но ведь на выходе у любого из этих первичных преобразователей – напряжение! Точнее, – «напряжение переменного тока» (строго по ГОСТ). А оно измеряется вольтметром, любое. Так-то оно так, да не совсем :) Вольтметр – это не только то, что измеряет напряжение. А то, и только то, шкала чего «оцифрована» в единицах напряжения (соответственно в абсолютных, в «В» или в относительных, в «дБ»). А если шкалу оцифровать , например, в единицах виброускорения, то это уже не вольтметр, а «вибромер». Если в В/м – получится «измеритель напряжённости поля» и т.д.
А кто же нам мешает проделывать это «на ходу», просто изменяя с помощью специализированного ПО параметры «вольтметра»? И превращая его в то средство измерения, которое нам нужно в данный момент? Да никто… Другое дело, что строго выполняя требования 102-ФЗ КАЖДЫЙ «такой канал измерения» должен пройти соответствующие испытания и в сертификате об утверждении типа должны быть перечислены ВСЕ его «ипостаси». Тогда и только тогда это будет законно (как это и делается для каждой из наших САИС).
Но тогда появляется возможность, кстати, абсолютно недостижимая для обычных средств измерения «аппаратного» построения – снизить стоимость САИС за счёт того, что его «измерительное ядро», то самый «вольтметр», гибко и совершенно незаметно для оператора, переключается автоматикой из режима в режим. Один, а не несколько. Или даже несколько (если необходима реально параллельная, одновременная их работа). Но они часто могут быть аппаратно одинаковыми и, следовательно, более дешёвыми (как в нашей САИС «Талис-НЧ-М1).
Продолжим анализ преимуществ и недостатков САИС.
Прежде чем закончить с собственно процедурой измерения, присмотримся к ещё некоторым существенным параметрам этой операции.
Почти для всех измерений, которые приходится выполнять в области ТЗИ, прежде чем измерить значение физической величины необходимо «найти сигнал». Не просто некий произвольный, а именно тот, который подлежит измерению. Причём (об этом упоминалось выше) среди впечатляющего количества помех, многие из которых весьма похожи на искомые сигналы, а по величине – частенько и превосходят. То есть первая задача – найти «нужные» сигналы в сонме иных, помеховых. Вот это более чем достойная задача для автомата.
Распознавание сигналов область бесконечная… На эту тему написаны сотни учебников, статей, монографий. Сломано немало копий. Углубляться в эти теоретические дебри мы не будем. Отметим только, что на сегодняшний день методы распознавания «свой/чужой», применяемые в существующих САИС достаточно разнообразны и вполне эффективны. Но вот что мы считаем важным и принципиальным!
При вероятностной оценке правильности распознавания некого сигнала теория устанавливает три зоны значений вероятности правильного решения – зона уверенного «да» (обычно с вероятностью порядка 0,9-0,95); промежуточную зону, в которой решение да/нет приблизительно равновероятны и зону уверенного «нет» (с такой же высокой вероятностью 0,98-0,98). Если саму автоматизацию распознавания «свой/чужой» мы считаем необходимой, то вот сокращать это до «бинарной задачи» (то есть до однозначного «да» или «нет») мы считаем неверным. Именно поэтому в наших САИС присутствуют (реализованы) все три решения. Причём для «пограничного» решения окончательный выбор возлагается на оператора. Интерфейс системы предоставляет возможность оператору увидеть «сомнительный» сигнал именно таким, каким его «видит» система и одним кликом выбрать решение окончательное. Аппарат принятия решения простой, но весьма эффективный. Что и подтверждается практикой применения САИС «Сигурд» и «Талис».
Несколько иная интерпретация этой же задачи применена в САИС «Шёпот». Поскольку опознавание тест-сигнала на фоне помех осуществляется по существенной разности амплитуд (опять же отнюдь не волюнтаристски, а на основании требования метрологических ГОСТ-ов), то система автоматически оценивает эту разность. И, если она ниже заранее заданной, то система выводит оператору предупреждающее сообщение. Более того, вычисляет и сообщает оператору насколько именно, и в каких октавах надо увеличить тест-сигнал, чтобы условия измерения были корректными. Ну и для «защиты от дурака» система не зарегистрирует в итоговой таблице измерений те, которые выполненны в некорректных условиях. Насколько нам известно, это свойство САИС «Шёпот» и по сей день является уникальным и, несмотря на свою кажущуюся простоту, весьма эффективным средством предотвращения типовых ошибок измерений.
Рассматривая всё уже перечисленное, нетрудно прийти к однозначному выводу, что уже освещённые возможности и функции, весьма существенные при выполнении измерения в области ТЗИ, при работе вручную реализовать просто невозможно. Они могут быть реализованы только в автоматизированных (добавим – правильно автоматизированных!) системах.
На этом с рассмотрением особенностей и преимуществ на этапе измерений можно закончить и перейти к этапу расчёта требуемого результата – «расчётной задаче».
Продолжение следует
